CN106436451A - 滑石粉和钛白粉组合物在造纸填料上的应用 - Google Patents

滑石粉和钛白粉组合物在造纸填料上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于造纸填料的复合粉体,所述复合粉体包括钛白粉与滑石粉，所述钛白粉与滑石粉的质量比为40%‑95%:60%‑5%，所述钛白粉的中位粒径满足：0.1um≤D50钛白粉≤5um，所述滑石粉的中位粒径满足：0.1 um≤D50滑石粉≤10um,且D50钛白粉与D50滑石粉之差的绝对值满足：ΔD≤4 um。所述复合铁白粉作为造纸填料，能够提高造纸的白度，同时在保证纸张强度的前提下，进一步提高了纸张的留着率，提高了纸张平滑度和印刷光泽度，增加了纸张的稳定性，更好的满足工业上的使用要求以及广大消费者的需求。

Description

滑石粉和钛白粉组合物在造纸填料上的应用
技术领域
本发明属于造纸领域，具体的涉及一种用于造纸填料的复合粉体、制备方法及其应用。
背景技术
目前，常规的造纸生产领域以文化用纸为例，是以大量的植物纤维纸浆为主作为纸张骨架，通过填加约10％～25％不等的碳酸钙或滑石粉等传统矿物填料和少量的化学助剂完成造纸。填料的应用不仅可以显著降低原料成本、改善纸品的性能和档次，还可以改善纸料滤水性能，降低能耗。然而，当前国内常规的造纸填料(如:轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉等)存在以下技术问题:
1.填料本身密度较纤维密度相差较大,造成填料利用率低，纸张灰分较低。
2.由于填料本身分散性差，导致滑石浆料的固含量变化较大,流变性能恶化现象可能会较严重,以此会使能耗增加,生产成本提高，同时纸张平滑度较低，印刷光泽度低，影响纸张质量。
3.现有技术中，造纸填料储存在填料高位箱中，在纸浆即将上网抄造前利用冲浆泵快速加入纸浆中在进行混合，同时也在纸机流浆箱中与纤维进行二次快速混合运动，采取上述输送方式使填料不与纸浆沉降分层。虽然该方法解决了传统填料密度大沉降速度快的缺点，但是填料与纤维混合时间过短，不利于填料在纤维中的充分填充，并且随着加填量的增加，在高加填料下往往会带来纸张强度性能和填料留着率的下降，同时还会造成纸面“掉粉”的现象,纸张储存稳定性差等问题。
专利申请号为200510026926.9的中国专利公开了一种用于造纸填料和涂料的改性超细滑石粉的制备方法，采用由包覆二氧化钛的滑石粉用于造纸填料，使得制成的纸白度、光泽度、印刷性能等指标有明显提高，提高纸品质量，降低生产成本。但是该方法制备的填料依然存在纸张强度性能和留着率低，平滑度欠佳等问题，并且该制备过程复杂，不易工业化生产和应用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于造纸填料的复合粉体，所述的复合铁白粉作为造纸填料，能够提高造纸的白度，同时在保证纸张强度的前提下，进一步提高了纸张的留着率，提高了纸张的光泽度和印刷光泽度，增加了纸张的稳定性，更好的满足工业上的使用要求以及广大消费者的需求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于造纸填料的复合粉体,所述的复合粉体包括钛白粉与滑石粉，所述钛白粉与滑石粉的质量比为40％-95％:60％-5％，所述钛白粉的中位粒径满足：0.1um≤D50钛白粉≤5um，所述滑石粉的中位粒径满足：0.1um≤D50滑石粉≤10um,且D50钛白粉与D50滑石粉之差的绝对值满足：ΔD≤4um。
优选的，所述钛白粉与滑石粉的质量比为80％-95％:20％-5％。
其中，钛白粉的粒径分布均满足：D90钛白粉/D10钛白粉＜10,滑石粉的粒径分布均满足：D90滑石粉/D10滑石粉＜20。
根据本发明的一些实施例，在PH大于7时，钛白粉的zeta电位为-20～-50mV，滑石粉的zeta电位为-30～-80mV，钛白粉与滑石粉的zeta电位之差的绝对值小于20。
进一步，所述滑石粉吸油量/板面直径的值满足30-60；钛白粉吸油量/板面直径的值满足10-30。
优选的，钛白粉的吸油量/板面直径与滑石粉的吸油量/板面直径之和满足50-75。
具体的，所述滑石粉颗粒粉末为片状，片状直径优选为0.25um。
进一步，上述钛白粉可为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉中的一种或两种。
优选的，所述金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉的质量比为1:2～4。
本发明还提供了上述复合粉体在造纸上的应用，制备的纸张在保证纸张强度的前提下，进一步提高了纸张的留着率，提高了纸张的光泽度和印刷光泽度，增加了纸张的稳定性，更好的满足工业上的使用要求以及广大消费者的需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明制备的复合粉体用于造纸领域，其浆料的分散性好，流变性能高，进而提高了纸张的光泽度以及印刷光泽度。
(2)钛白粉与滑石粉颗粒的板面直径相对吸油量较大，且孔隙率，其容重较低，因而可在浆池中与纤维在同一层位其充分混合，不会出现分层现象，同时由于其特殊的纤维状结构能在浆池中与纤维结构充分进行物理填充，因而其结合性能更稳定，在造纸过程中不会出现成纸表面填料“掉粉”的现象，此外由于其密度略轻于纤维，因而大量填料不会降低纸张松厚度，反而会纸张松厚度有所增加。
(3)采用滑石粉与钛白粉复合粉体作为造纸填料，填料在纸机上网后的留着率一般在70％-85％，较传统造纸填料(如轻质碳酸钙、重质碳酸钙及滑石粉等)的留着率高20％-50％，可将大部分填料留着于纸张当中，减少填料浪费。
(4)采用复合粉体作为造纸填料的加填工艺过程简单，设备要求低，对现有造纸工艺和设备改动较小，对设备要求也相对较低，可操作性较高，因而本发明易于产业化推广。
具体实施例方式
实验例1
取中位粒径为1μm的钛白粉、中位粒径为2μm的滑石粉，通过对不同质量比的滑石粉和钛白粉混合，获得不同编号的组合物，作为造纸填料，添加量为15％，制成纸张，并检测其关键指标，工艺中其他参数取中间值。
表1不同质量配比的滑石粉和钛白粉对涂布纸的影响
如表1所示，随着滑石粉的添加量的增加，纸张的不透明度和白度降低，当滑石粉的添加量超过40％时，纸张的不透明度和白度降低明显降低，不能满足实用要求，因此在本发明中，选择钛白粉与滑石粉的质量比为60％-95％：40％-5％。
实验例2
通常在造纸的使用过程中，造纸中填料的分散性对造纸的效果有个很大影响，直接影响造纸的印刷效果，因此本发明提供一种复合粉体能够在造纸色浆中具有良好的分散情况。
本发明探究了滑石粉的中位粒径、钛白粉的中位粒径以及二者中位粒径之间的差值关系直接影响复合粉体的分散性，粒径的合理分配能够有效弥补单一超细非金属粉体固有的性能缺陷，形成性能优势互补的超细非金属粉复合体，提高纸张的效果。
表2不同粒径配比关系的涂布纸的影响
由上表可以看出不同滑石粉的中位粒径、钛白粉的中位粒径、二者中位粒径差值对最终造纸分散情况的影响，其中当滑石粉的中位粒径在0.1～5μm之间，钛白粉的中位粒径在0.1～10μm之间，两者中位粒径都在合适的范围内，使粉体具有良好的分散性。且滑石粉与钛白粉之间的中位粒径之差要小，优选不大于4μm，利于两种粉体的融合，增强分散性，尤其随着滑石粉添加量的增加，纸张的透明度降低，但是两者之间的中位粒径之差较小时，能够明显改善由于滑石粉添加量增多导致透明度明显下降的问题。
实验例3
为了避免因钛白粉和滑石粉的粒度分布范围过宽，而使得两者分配不佳，再者为了减少不同批次造纸产品的性能差异过大，现探究了滑石粉和钛白粉各自的粒度分布。
表3滑石粉和钛白粉粒度分布对造纸的影响
有上表可知，钛白粉的粒径分布满足为：D90钛白粉/D10钛白粉＜10，滑石粉的粒径分布满足为：D90滑石粉/D10滑石粉＜20，以其组合物作为填料用于制备纸张，由于粒径分布合理，分布均一，制得的纸张不透光明度、光泽度高，具有更广泛的用途。
需要说明的是，本发明由发明人通过大量实验获得，在说明书中只展示其中的一部分，且本领域普通技术人员可以在此数据下理解并实施本发明，钛白粉与滑石粉的质量配比为95％-60％：5％-40％的范围内依然存在上述相同的趋势并可得出相同的结论，具体的实验数据不在赘述。
实验例4
进一步，为了保证滑石粉和钛白粉组合物在造纸色浆中具有良好的分散性，确保填料具有较好的分散稳定性，避免因过强的电位作用对分散性造成不良影响，也要着重考虑滑石粉和钛白粉二者zeta电位的关系。
故以下通过钛白粉的zeta电位、滑石粉的zeta电位、二者zeta电位之和的绝对值这三个参数来证明本发明的有益效果，工艺中其他参数取中间值。具体结果见表4。
表4不同钛白粉、滑石粉的zeta电位对涂布纸的影响
由上表可以看出不同钛白粉的zeta电位、滑石粉的zeta电位、二者zeta电位之和的绝对值对复合粉体在水分散浆中分散情况的影响，在pH大于7的溶剂中，滑石粉与钛白粉zeta电位均为负值，颗粒表面带负电荷，其中当钛白粉的zeta电位在-20～-50mV之间，滑石粉的zeta电位在-30～-80mV之间，两者均带负电荷，同种电荷相斥，利于两种粒子的分散，粒子在浆料中悬浮性好，不易沉降。随着电荷的增强两者之间的分散效果更好。
由于滑石粉在水中不易分散，极易形成团聚而沉降。进一步的，发明人还在实验中发现，钛白粉与滑石粉的zeta电位绝对值差值过大时不利于组合物分散性的提高。已知在中性条件下，钛白粉与滑石粉zeta电位均为负值，当滑石粉与钛白粉的zeta电位相差较大时，反而会影响钛白粉组合物的zeta电位值。发明人推测，由于滑石粉为混合物，不可避免的含有少量杂质，滑石粉颗粒和钛白粉颗粒外电层均会对杂质产生吸附作用，少量的吸附不会对电位产生影响。而当滑石粉zeta电位绝对值超出钛白粉过多时，其颗粒外侧电层会吸附大量杂质颗粒，并吸附钛白粉颗粒表面的杂质，从而降低滑石粉的zeta电位，进一步影响滑石粉的分散性，整体上影响复合粉体在浆料中的分散效果。因此，本发明研究发现滑石粉与钛白粉的zeta电位的之差的绝对值小于20，此时粒子不易团聚，浆料均匀，印刷效果更好。故本发明工艺中，钛白粉的zeta电位优选为-20～-50mV，滑石粉的zeta电位优选为-30～-80mV，滑石粉与钛白粉的zeta电位的之差的绝对值小于20。
需要说明的是，本发明由发明人通过大量实验获得，在说明书中只展示其中的一部分，且本领域普通技术人员可以在此数据下理解并实施本发明，钛白粉与滑石粉的质量配比为95％-60％：5％-40％的范围内依然存在上述相同的趋势并可得出相同的结论，具体的实验数据不在赘述。
实验例5
通常在造纸领域中，填料粉体的吸油量主要是针对纤维的吸附，若其吸油量较高，纸张的印刷效果越好；但是吸油值过大，使得在造纸中，粉体会吸收大量纤维，造成树脂浪费，增加生产成本。进一步，本发明探究了两种填料的吸油量，具体结果见表5。
需要说明的是，颗粒粉末的板面直径以从透射型电子显微镜照片测得的数值表示。在水或醇中使水粉末分散，使该溶液在筛网附着、干燥，制成观察试样。在观察试样内选择板面对筛网水平附着的颗粒(200点)，进行板面直径的测定，将平均值作为板面直径。吸油量(g/g)/板面直径(um)的单位为(g/g.um)。在本发明中，省略单位地标记。
表5不同吸油量/板面直径对纸张强度性能的影响
由上表可以看出，本发明中所述滑石粉吸油量/板面直径的值满足30-60、钛白粉的吸油量/板面直径的值满足10-30。需要需说明的是，吸油值(g/g)/板面直径(um)的单位为(g/g.um),当滑石粉与钛白粉的吸油量/板面直径之和小于50时，颗粒的板面直径相对于吸油量较大，制成纸张时，容易使透明性下降。另外，当滑石粉与钛白粉的吸油量/板面直径之和大于75时，颗粒在纤维中难以融合，导致纸张分散性不良、留着率不高，纸张均匀性欠佳。因此，在本发明中限定滑石粉与钛白粉的吸油量/板面直径之和满足50-75，制备的复合粉体能够与纤维有效地结合，从而提高纸张平滑度，避免产生纸张掉粉掉毛以及原纸压板易透底的问题。
需要说明的是，本发明由发明人通过大量实验获得，在说明书中只展示其中的一部分，且本领域普通技术人员可以在此数据下理解并实施本发明，钛白粉与滑石粉的质量配比为95％-60％：5％-40％的范围内依然存在上述相同的趋势并可得出相同的结论，具体的实验数据不在赘述。
进一步，本发明中滑石粉颗粒粉末为片状，片状直径优选为0.25um，在造纸过程中，层状结构能在纤维间更高的留着，因为有一个片状颗粒不能想球状颗粒那样轻松的穿过限位网状结构，而被截留下来，提高了一次留着率，从而节省了助留剂的使用。
钛白粉可为金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉中的一种或两种。作为优选，上述钛白粉选用金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉的混合钛白粉，其中金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉的质量比为1:2～4。在大多造纸配方中，较多地仅采用一种晶型的钛白粉原料，使得钛白粉应用较为单一，在本发明中作为优选的，将金红石型钛白粉和锐钛型钛白粉进行混合使用，产生混晶效应，有利于提高TiO2的催化活性，从而使造纸具有优异的光泽度和印刷光泽度，进一步提高了钛白粉的应用领域。
以下结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围内。
实施例1
组方：锐钛型钛白粉 80份
滑石粉 20份
其中，钛白粉的D50钛白粉＝1.0um，D90钛白粉/D10钛白粉＝10；zeta电位为-30mV；吸油量/板面直径为20；
滑石粉的D50滑石粉＝1.5um，D90滑石粉/D10滑石粉＝10；zeta电位为-50mV；吸油量/板面直径为30；
将锐钛型钛白粉装入温度可控的高混器中，称取处方量的滑石粉，缓慢加入高混器中，搅拌20min，制得复合粉体，记为T1。
实施例2
组方：金红石型钛白粉 70份
滑石粉 30份
其中，钛白粉的D50钛白粉＝0.5um，D90钛白粉/D10钛白粉＝5；zeta电位为-40mV；吸油量/板面直径为20；
滑石粉的D50滑石粉＝2.5um，D90滑石粉/D10滑石粉＝10；zeta电位为-50mV；吸油量/板面直径为40；
将金红石型钛白粉装入温度可控的高混器中，称取处方量的滑石粉，缓慢加入高混器中，搅拌20min，制得复合粉体,记为T2。
实施例3
组方：混合钛白粉 60份
滑石粉 40份
其中，混合钛白粉由质量比为1:2的金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉组成；
钛白粉的D50钛白粉＝1um，D90钛白粉/D10钛白粉＝10；zeta电位为-50mV；吸油量/板面直径为15；
滑石粉的D50滑石粉＝2um，D90滑石粉/D10滑石粉＝15；zeta电位为-40mV；吸油量/板面直径为50；
将混合钛白粉装入温度可控的高混器中，称取处方量的滑石粉，缓慢加入高混器中，搅拌25min，制得复合粉体,记为T3。
实施例4
组方：混合钛白粉 90份
滑石粉 10份
其中，混合钛白粉由质量比为1:4的金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉组成；
钛白粉的D50钛白粉＝1um，D90钛白粉/D10钛白粉＝10；zeta电位为-30mV；吸油量/板面直径为15；
滑石粉的D50滑石粉＝5um，D90滑石粉/D10滑石粉＝10；zeta电位为-45mV；吸油量/板面直径为48；
将混合钛白粉装入温度可控的高混器中，称取处方量的滑石粉，缓慢加入高混器中，搅拌20min，制得复合粉体，记为T4。
实施例5
按照下列配方配置本实施例的造纸色浆，其中填料采用实施例1的复合粉体T1。
用实施例1制备的复合粉体添加至纸浆中，混合均匀，再向依次纸浆中加入占纸浆质量5％的增强剂，3％的助留剂，和5％的抗水剂，搅拌并混合均匀，用造纸机抄造成定量为80g/m2的纸张，加入占纸浆质量5％的涂布胶乳进行涂布，制成成品，记为ST1。
实施例6-8
采用与实施例5相同的步骤分别制备实施例6-8的造纸，不同之处在于，复合粉体分别采用实施例2-4中制备的复合粉体T2、T3、T4，得到成品ST2、ST3、ST4。
对比例1
按照申请号为200510026926.9中实施例1制备等量的复合钛白粉，记为D1。
对比例2
采用与本实施例5相同的步骤制备对比例2的纸张，不同之处在于，钛白粉组合物采用对比例1中制备的复合粉体D1，制成成品，记为SD1。
(1)涂布纸相关性能检测
按照GB 7974-1987标准检测纸张成品的白度；
按照GB/T 1543-2005标准检测成品纸张的不透明度；
按照GB/T 12914-2008标准检测纸张成品的抗张指数；
按照GB/T 1539-2007检测纸张成品的耐破指数；
按照按照GB/T 8941-2007检测纸张成品的光泽度；
按照GB/T 12032-2005标准检测成品纸张的印刷光泽度。
留着率的测定：将抄造好的纸张剪成5mm×5mm的小片，放入密封袋中，搁置12h，以平衡水分，之后称取2-3g的纸样，放入坩埚中，在电炉上小心灼烧，使纸张炭化，然后放入高温炉中在575℃下灼烧4h以上，取出坩埚，在干燥器内冷却后称量质量，直至质量恒定为止，计算出纸张的灰分含量，然后根据公式(1)计算样品的留着率。
留着率＝(A-B)/(1-D)·C×100％
式中，A为成纸灰分，％；B为空白样灰分，％；C为实际加填量，％；D为样品灼烧损失量，％。
表6本实施例所制备纸张的有关性能数据
从表6所示的技术指标来看，实施例5、实施例6、实施例7、实施例8所制备的纸张，采用合适粒径钛白粉和滑石粉组合物，并且两者之间的中位粒径之差较小时，两者能够在不同粒径之间能够进行合理排布，使两者之间达到最优的分配，作为填料制备的造纸色浆，分散性好，进而弥补了随着滑石粉添加量增加导致的造纸不透明度、白度下降的问题。同时，钛白粉与滑石粉的zeta电位之差的绝度值小于20，两者的吸油值/板面直径的之和满足50-75之间，作为造纸填料，其成品的纸张强度、留着率与现有技术相比有一定提高。因此，本发明所制备的复合粉体在造纸中的综合性能好，完全可以部分取代铁白粉，是一种新型的功能性造纸填料。同时，滑石粉填充造纸明显降低造纸的成本，提高了经济效益，具有极高的应用价值和市场推广前景。
最后需要说明，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种用于造纸填料的复合粉体,所述的复合粉体包括钛白粉与滑石粉，所述钛白粉与滑石粉的质量比为60%-95%:40%-5%，其特征在于：所述钛白粉的中位粒径满足：0.1um≤D50钛白粉≤5um ，所述滑石粉的中位粒径满足：0.1 um≤ D50滑石粉 ≤10um,且D50钛白粉与D50滑石粉之差的绝对值满足：ΔD≤4 um。
2.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：所述钛白粉与滑石粉的质量比为80%-95%:20%-5%。
3.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：其中钛白粉的粒径分布均满足：D90钛白粉/D10钛白粉＜10, 滑石粉的粒径分布均满足：D90滑石粉 /D10滑石粉＜20。
4.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：在PH大于7时，钛白粉的泽塔电位为-20~-50mV，滑石粉的zeta电位为-30~-80mV，钛白粉与滑石粉的zeta电位之差的绝对值小于20。
5.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：所述滑石粉吸油量/板面直径的值满足30-60；钛白粉吸油量/板面直径的值满足10-30。
6.根据权利要求5所述的复合粉体，其特征在于：钛白粉的吸油量/板面直径与滑石粉的吸油量/板面直径之和满足50-75。
7.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：所述滑石粉颗粒粉末为片状，片状直径优选为0.25um。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的复合粉体，其特征在于上述钛白粉可为金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉中的一种或两种。
9.根据权利要求8所述的复合粉体，其特征在于：所述金红石型钛白粉与锐钛型钛白粉的质量比为1:2~4。
10.权利要求1-7任一种所述复合粉体在造纸中的应用。
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